氧化铜—钛酸锶复相材料的制备及CO2敏感性的研究

论文摘要

随着社会的进步和发展,人们越来越清楚地意识到环境对人类的重要性,逐步由无节制的开采和过度污染,转变为节约自然资源,保护生态环境上来。其中CO2作为温室效应的主要源头成为人们关注的焦点问题,用于检测和控制CO2的各项新产品也不断问世。本文以无机盐为原料,采用溶胶-凝胶法。从CuO-SrTiO3材料的制备及其敏感性能等多个方面展开了研究工作。通过采用红外光谱、X衍射及扫描电镜等分析手段分析了络合剂的作用、晶粒、晶相以及薄膜形貌。其中材料的制备方面我们分别讨论了络合剂的种类、水浴温度、涂膜次数、烧结温度等对CuO-SrTiO3薄膜性能的影响。实验发现:用柠檬酸为络合剂,控制水浴温度在60oC下搅拌3小时,涂膜10次后750℃烧结的薄膜均匀性良好,无开裂现象。本实验中制得的CuO-SrTiO3复相材料薄膜具有良好的阻温性能,440oC工作温度下对6%CO2气体的灵敏度为1.45,且响应和恢复性能良好。为了提高CuO-SrTiO3复相材料的敏感性能,实验中掺杂了Na+和La3+离子并通过调节不同的掺杂量确定出了最佳的掺杂百分数。发现:当掺杂3%的Na+或La3+离子后材料的电阻明显下降,通入6%CO2时灵敏度提高至1.55（3%Na）和1.49（3%La）。本文还讨论了用贵金属Ag进行表面修饰后对材料气敏性的影响。将10次涂膜并最终烧结后的薄膜在1%mol/L的AgNO3溶液中浸润涂膜一次,750oC下烧结30min,CuO-SrTiO3薄膜的电阻下降,灵敏度达到1.82（6%CO2）。将掺杂3%Na+经溶胶-凝胶工艺,于750oC烧结得到的CuO—SrTiO3粉体,制备出烧结型CuO-SrTiO3气敏材料。讨论了加入不同添加物对烧结型材料的电阻和灵敏度的影响。仅加入PVA的气敏材料灵敏度最高为1.44,但开裂和脱落现象严重;玻璃料的加入有效的增强了气敏材料和基体之间的粘结性能,但阻值增大,灵敏度为1.32;适量的铂可以显著降低材料的阻值,但由于混合不均引起的贵金属中毒灵敏度下降至1.13。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 气体传感器的发展及分类
• 1.1.1 半导体气体传感器的发展
• 1.1.2 半导体气体传感器检测原理及存在的问题
• 1.1.2.1 加热的稳定性问题
• 1.1.2.2 气敏元件的选择性问题
• 1.1.2.3 温湿度补偿问题
• 1.2 半导体型气体传感器气敏材料的制备
• 1.2.1 烧结型气敏传感器的制备工艺
• 1.2.1.1 烧结型气敏材料粉体的制备
• 1.2.1.2 烧结型传感器的制备
• 1.2.2 薄膜型气敏材料的制备
• 1.2.2.1 磁控溅射法
• 1.2.2.2 真空蒸发镀膜法
• 1.2.2.3 喷雾热解法
• 1.2.2.4 CVD 法
• 1.2.2.5 溶胶-凝胶法
• 2 气体传感器的分类及发展经历'>1.3 CO₂气体传感器的分类及发展经历
• 2 气体传感器的发展动态'>1.4 氧化物半导体型CO₂气体传感器的发展动态
• 1.5 CuO 的晶体结构及性能
• 1.5.1 CuO 的结构
• 1.5.2 CuO 的性质及应用前景
• 1.5.3 纳米 CuO 的气敏特性
• 1.6 钛酸锶的晶体结构及性能
• 1.7 课题的提出
• 第二章 实验部分
• 2.1 原材料的选择
• 3 溶胶的制备'>2.2 CuO-SrTiO₃溶胶的制备
• 3 薄膜制备的工艺过程'>2.3 CuO-SrTiO₃薄膜制备的工艺过程
• 0.97Na_0.03TiO₃CuO-SrTiO₃ 系材料粉体的制备'>2.4 CuO-Si_0.97Na_0.03TiO₃CuO-SrTiO₃系材料粉体的制备
• 3 系烧结型传感器的制备'>2.5 CuO-SrTiO₃系烧结型传感器的制备
• 2.6 实验研究方法
• 2.6.1 X 射线衍射（XRD）分析
• 2.6.2 薄膜显微结构（SEM）分析
• 2.6.3 失重-差热（TG-DTA）分析
• 2.6.4 红外光谱（IR）分析
• 2.7 特征参数
• 2.7.1 灵敏度
• 2.7.2 选择性
• 2.7.3 初始特征
• 2.7.4 响应时间和恢复时间
• 2.8 测试系统
• 3系复相材料制备与气敏性能研究'>第三章 CuO-SrTiO₃系复相材料制备与气敏性能研究
• 3 系复相薄膜材料'>3.1 溶胶凝胶法制备CuO-SrTiO₃系复相薄膜材料
• 3 溶胶的制备'>3.1.1 CuO-SrTiO₃溶胶的制备
• 3.1.1.1 体系主配方组成的确定
• 3.1.1.2 溶胶制备工艺方案的确定
• 3.1.1.3 溶胶制备中水浴温度的确定及作用
• 3.1.1.4 溶胶浓度的选择
• 3.1.1.5 凝胶结构的分析
• 3 薄膜制备工艺研究'>3.1.2 CuO-SrTiO₃薄膜制备工艺研究
• 3.1.2.1 溶胶膜浸渍速度和涂膜次数的确定
• 3.1.2.2 薄膜热处理工艺的确定
• 3.1.2.3 薄膜烧结温度的确定
• 3 系复相薄膜材料的气敏性能'>3.2 CuO-SrTiO₃系复相薄膜材料的气敏性能
• 3 材料的阻温特性及气敏性能'>3.2.1 未掺杂CuO-SrTiO₃材料的阻温特性及气敏性能
• 3 复相材料的阻温特性'>3.2.1.1 CuO-SrTiO₃复相材料的阻温特性
• 3 复相材料的气体敏感特性'>3.2.1.2 CuO-SrTiO₃复相材料的气体敏感特性
• 3 复相材料的气体选择性'>3.2.1.3 CuO-SrTiO₃复相材料的气体选择性
• 3 系复相材料的气敏原理'>3.2.1.4 CuO-SrTiO₃系复相材料的气敏原理
• 3 材料的阻温特性及气敏性能'>3.2.2 掺杂CuO-SrTiO₃材料的阻温特性及气敏性能
• +的 CuO-SrTiO₃ 复相材料阻温特性及其气敏性能'>3.2.2.1 低价掺杂 Na⁺的 CuO-SrTiO₃复相材料阻温特性及其气敏性能
• 3+的CuO-SrTiO₃ 复相材料阻温特性及其气敏性能'>3.2.2.2 高价掺杂La³⁺的CuO-SrTiO₃复相材料阻温特性及其气敏性能
• 3 系复相材料的气敏性能的研究'>3.2.2.3 表面修饰对提高CuO-SrTiO₃系复相材料的气敏性能的研究
• 3 系复相材料传感器的制备及其气敏性能'>3.3 烧结型CuO—SrTiO₃系复相材料传感器的制备及其气敏性能
• 3 系复相材料传感器的制备'>3.3.1 烧结型CuO—SrTiO₃系复相材料传感器的制备
• 3 系复相材料传感器阻温性能'>3.3.2 烧结型CuO—SrTiO₃系复相材料传感器阻温性能
• 3 系复相材料传感器气敏特性'>3.3.3 烧结型CuO—SrTiO₃系复相材料传感器气敏特性
• 第四章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢